Service Life Assessment of Reinforced Concrete Structures Subjected to Chloride Diffusion
Evaluation de la durée de vie des structures en béton armé soumises à la diffusion des ions chlorure
Résumé
Concrete end-product is a non-homogeneous material including aggregate, binder and pores. During its early service life, concrete needs no repair or maintenance; this will no longer be true with time. Along the time, many substances transported in or out of concrete contribute to its deterioration. The deterioration can be from chemical, physical or electrochemical origins, or even coupled. The rate at which the concrete can withstand this deterioration is called durability. This property is hard to quantify, and this is the reason why another term known a "service life" comes into light. Consequently, durability can be quantified in terms of service live, more specifically how many years the concrete can fulfill its intended use without serious need of maintenance, or either with a given maintenance policy. Several forms of degradation define the concrete service life, these forms include the reinforcement corrosion, chemical/physical paste degradation, and degradation mechanism related to the aggregate properties. Reinforcement Corrosion in chloride environments is responsible of the majority of reinforced concrete degradation across the world. The corrosion of reinforcement leads ultimately to a reduction of the reinforcing steel section followed by a progressive cracking and spalling. The steel corrosion in this environment is initiated as the chloride ions diffuse in concrete and reaches a critical threshold at the vicinity of the steel reinforcement. Several models exist to describe the ingress of chloride in concrete. Large differences have been found in predictive models. It was thus important to investigate the reason of these differences, that is found attributed to the input parameters originally taken into consideration. A further literature review of the parameters that affect the chloride ingress result in identifying a total of thirty parameters that directly affect this mechanism. They particularly affect the chloride diffusion that is considered as the primary mode of chloride transportation. The number of parameters that are not taken into consideration in the available models is thus significant. This fact explains the root cause of the considerable differences in the service life values given by different models. The aim of this thesis is to reach a tailored model for chloride diffusion in concrete taking into consideration various affecting parameters. These affecting parameters are demonstrated through the literature review and confirmed by the actual long-term testing program. In order to reach a complete model for chloride diffusion that includes these thirty influencing parameters, a large-scale testing protocol has been designed and carried out. The total number of laboratory tests needed to complete this study and reach the complete model is equal to 2221 tests and a total of 39 concrete mixes. As a final outcome, the present work reaches comprehensive conclusions regarding the parameters affecting the concrete service life in chloride environment, with empirical formulas quantitively defining their effects. A complete updated model for chloride diffusion in concrete is then obtained and applied through a numerical application. This model includes environmental, concrete properties, workmanship, and post-placing parameters, that directly affect the chloride diffusion in concrete. A comparison between the existing models and the obtained complete one is also presented.
Le béton est un matériau non-homogène, comprenant des granulats, un liant et des pores. Au cours des premières années de sa durée de service, le béton n'a pas besoin de maintenance particulière ; ceci ne sera plus le cas avec le vieillissement. Au cours du temps, de nombreuses substances transportées à travers le béton contribuent à sa détérioration, qui peut être d'origine chimique, physique, électrochimique, ou même couplée. La capacité à laquelle le béton peut résister à cette détérioration est appelée durabilité. Cette propriété est difficile à quantifier ; c’est la raison pour laquelle le terme « durée de vie » vient en lumière. La durée de vie peut être quantifiée en termes d’aptitude en service, plus précisément combien d'années le béton peut remplir sa fonction prévue sans maintenance corrective importante, mais seulement avec une politique de maintenance courante. Plusieurs formes de dégradation définissent la durée de vie des ouvrages en béton armé ; elles comprennent la corrosion des armatures, la dégradation chimico-physique du liant et les dégradations liées aux propriétés des granulats. La corrosion des armatures dans des environnement riches en chlorure est la principale cause de dégradation du béton armé à travers le monde. La corrosion des armatures conduit à une réduction de la section d'acier suivie d'une fissuration progressive, d’écaillage et de perte de capacite portante. Plusieurs modèles existent pour décrire la pénétration des ions chlorure dans le béton. Des différences significatives ont été trouvées dans ces modèles provisionnels. Il est donc important d'étudier la raison de ces différences, qui est attribué aux paramètres d'entrée pris en considération. La littérature sur les paramètres qui influent sur la pénétration des ions chlorure identifie au total une trentaine de paramètres. Le nombre de paramètres qui ne sont pas pris en compte dans les modèles actuels est important. Ce qui explique les différences considérables dans les valeurs de la durée de service donnée par les différents modèles. L'objectif de cette thèse est d'atteindre un modèle plus complet de la diffusion des ions chlorure dans le béton en considérant divers paramètres affectants. Les paramètres sont mis en évidence par la littérature et confirmés par le programme d'essais à long-terme. Afin d’aboutir à ce modèle, une campagne d’essais à grande échelle a été conçue et réalisée. Le nombre total d’essais de laboratoire nécessaires pour cette étude et établir le modèle complet est égal à 2221 essais, avec un total de 39 mélanges de béton. En terme de résultat final, ce travail aboutit à des conclusions globales concernant les paramètres affectants la durée de vie du béton dans des environnements riches en chlorure, avec des formules empiriques définissant quantitativement leurs effets. Un modèle complet est développé pour la diffusion des ions chlorure dans le béton est ensuite appliqué numériquement. Ce modèle tient compte des propriétés du béton, de l'environnement, de la mise-en-oeuvre et de fissures. Une comparaison entre les modèles existants et le modèle proposé obtenu est également présentée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)